TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE

Ácido Fosfórico
Membrana de Intercambio Protónico ó Polímero Sólido
Carbonatos Fundidos
Oxido Sólido
Alcalina
Celdas de Combustible de Metanol Directo
Celdas de Combustible Regenerativas
Celdas de Combustible de Cinc Aire
Celdas de Combustible de Cerámico Protónico

Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). Este tipo de Celda de Combustible está disponible comercialmente hoy. Más de 200 sistemas de Celda de Combustible han sido instalados alrededor del mundo - en hospitales, casa de cuidado, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de generación de potencia, una terminal de aeropuerto, rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua. Las PAFCs generan electricidad a más de 40% de eficiencia – y cerca del 85% del vapor que estas generan es usado para cogeneración – esto se compara con cerca del 35% de la red de potencia en los Estados Unidos. La temperatura de operación se encuentra en el rango de 300 a 400 grados F (150 - 200 grados C). A menores temperaturas, el ácido fosfórico es un conductor iónico pobre, y puede ocurrir envenenamiento severo en el ánodo del catalizador platino (Pt) por monóxido de carbono (CO). El electrolito es ácido fosfórico liquido embebido en una matriz porosa. Una de las principales ventajas de este tipo de celda de combustible además de su cerca del 85% de eficiencia en cogeneración, es que puede utilizar hidrógeno poco puro como combustible. Las PAFCs pueden tolerar concentraciones de CO de hasta 1.5 porciento, lo cual amplía la elección de combustibles que pueden ser usados. Si se utiliza gasolina, el azufre debe ser removido. Desventajas de las PAFCs incluyen: utiliza platino costoso como catalizador, genera baja corriente y potencia comparada con otras celdas de combustible, y generalmente tiene un tamaño y peso grandes. Las PAFCs, sin embargo, son la tecnología de celda de combustible más madura. A través de ligas entre organizaciones con el Instituto de Investigaciones del Gas (Gas Research Institute - GRI), plantas generadoras, compañías de servicio de energía y grupos de usuarios, el Departamento de Energía (DOE) ayudó a hacer realidad la comercialización de las celdas PAFC, producidas por ONSI (ahora UTC Fuel Cells). Las PAFCs existentes tienen salidas de hasta 200 kW y unidades de 1 MW han sido probadas.

ánodo: H₂(g) -> 2H+(ac)+ 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2H+(ac) + 2e- -> H₂O(l)

Celda: H₂(g) + ½O₂(g)+ CO₂ -> H₂O(l) + CO₂

Membrana de Intercambio Protónico (PEM). Estas celdas operan a temperaturas relativamente bajas (cerca de 175 grados F ú 80 grados C), tienen alta densidad de potencia, pueden variar rápidamente su salida de potencia para atender cambios en la demanda de potencia y son muy adecuadas para aplicaciones, -- como los automóviles – donde un arranque rápido es requerido. De acuerdo con el DOE, "son el candidato número uno para vehículos de trabajo ligero, para edificios y potencialmente para muchas aplicaciones pequeñas tal como reemplazo de baterías." La membrana de intercambio protónico es una hoja de plástico delgado que permite que iones de hidrógeno pasen a través de ella. La membrana esta cubierta en ambos lados con partículas de aleación altamente dispersa (principalmente platino) que funcionan como catalizadoras. El electrolito utilizado es un polímero ácido orgánico poli-perflourosulfonico. El electrolito sólido tiene la ventaja de reducir la corrosión y otros problemas de funcionamiento. El hidrógeno es alimentado en el lado del ánodo de la celda de combustible donde el catalizador promueve que los átomos de hidrógeno liberen electrones y se conviertan en iones hidrógeno (protones). Los electrones viajan en forma de corriente eléctrica que puede ser utilizada antes de regresar por el lado del cátodo de la celda de combustible donde se ha alimentado oxígeno. Al mismo tiempo, los protones se difunden a través de la membrana (electrolito) hacia el cátodo, donde el átomo de hidrógeno es recombinado al reaccionar con el oxígeno para producir agua, completando así el proceso. Este tipo de celda de combustible es, sin embargo, sensible a impurezas presentes en el combustible. La salida de la celda generalmente está en el rango de 50 a 250 kW.

Ánodo: H₂(g) -> 2H+(ac) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2H+(ac) + 2e- -> H₂O(l)

Celda: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(l)

Carbonatos Fundidos (MCFC). Estas celdas de combustible usan una solución líquida de carbonatos de litio, sodio y/o de potasio, embebidos en una matriz para formar un electrolito. Estas celdas prometen altas eficiencias de conversión de combustible a electricidad, cerca del 60% normalmente ú 85% con cogeneración, y operan a unos 1,200 grados F o 650 grados C. La alta temperatura de operación es necesaria para alcanzar una suficiente conductividad del electrolito. Debido a esta alta temperatura, los catalizadores de metales nobles no son requeridos para los procesos electroquímicos de reducción y oxidación en la celda de combustible. A la fecha, las celdas MCFCs han sido operadas con hidrógeno, monóxido de carbono, gas natural, propano, gas de relleno sanitario, diesel marino y productos simulados de la gasificación de carbón. Se han probado MCFCs de 10 kW hasta 2 MW usando una variedad de combustibles y están dirigidas principalmente a aplicaciones de generación de potencia estacionaria. Las celdas de combustible de carbonatos estacionarias han sido exitosamente demostradas en Japón e Italia. Las altas temperaturas de operación, tienen una gran ventaja ya que ello implica mayores eficiencias y flexibilidad para usar más tipos de combustibles y catalizadores menos costosos, ya que las reacciones para romper los enlaces entre el carbono de hidrocarburos de cadenas más largas, ocurren más rápido a medida que la temperatura se incrementa. Una desventaja a ello es sin embargo, que las altas temperaturas aumentan la corrosión y la falla de componentes de la celda de combustible.

Anodo: H₂(g) + CO₃^2- -> H2O(g) + CO₂(g) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + CO₂(g) + 2e- -> CO₃^2-

Celda: H₂(g) + ½O₂(g) + CO₂(g) -> H₂O(g) + CO₂(g)

Celda de Combustible de Oxido Sólido (SOFC). Es otra celda de combustible altamente promisoria, la cual podría ser utilizada en grandes aplicaciones de alta potencia, industrial y estaciones centrales de generación de electricidad a gran escala. Algunos fabricantes ven el uso de las celdas SOFC también en vehículos automotores y están desarrollando unidades de potencia auxiliares con este tipo de celda de combustible (APUs). Un sistema de oxido sólido generalmente utiliza un material cerámico de óxido de zirconio sólido y una pequeña cantidad de itria, en lugar de un electrolito líquido, permitiendo que las temperaturas de operación alcancen los 1,800 grados F o 1000 grados C. Las eficiencias de operación podrían alcanzar el 60% y 85% con cogeneración y la salida de la celda hasta 100 kW. Un tipo de SOFC usa un arreglo de tubos de metros de largo, y otras variaciones incluyen un disco comprimido que parece la tapa de una lata de sopa. Los diseños tubulares de celdas SOFC están mas próximos a su comercialización y están siendo producidos por varias compañías alrededor del mundo. Los proyectos demostrativos de la tecnología tubular de SOFC han producido tanto como 220 kW. Japón tiene dos unidades de 25 kW en línea y una planta de 100 kW está siendo probada en Europa.

Ánodo: H₂(g) + O₂- -> H₂O(g) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2e- -> O^2-

Celda: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(g)

Celda Alcalina. Estas celdas, usadas durante mucho tiempo ya por las misiones espaciales de la NASA, pueden alcanzar eficiencias de generación de potencia de hasta 70 porciento. Fueron usadas en las naves Apolo para proveer electricidad y agua para beber. Su temperatura de operación es de 150 a 200 grados C (unos 300 a 400 grados F). Utilizan una solución acuosa alcalina de hidróxido de potasio embebida en una matriz como electrolito. Esto es ventajoso pues la reacción del cátodo es más rápida en un electrolito alcalino, lo que significa mayor desempeño. Hasta recientemente fueron muy costosas para aplicaciones comerciales, pero muchas compañías están examinando medios para reducir costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Típicamente tienen una salida de celda de 300 watts a 5 kW.

Ánodo: H₂(g) + 2(OH)-(ac) -> 2H₂O(l) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + H₂O(l) + 2e- -> 2(OH)^-(ac)

Celda: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(l)

Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC). Estas celdas son similares a las celdas PEM ya que ambas usan una membrana de polímero como electrolito. Sin embargo, en las celdas DMFC el catalizador del ánodo mismo obtiene el hidrógeno del metanol líquido, eliminando la necesidad de un reformador de combustible. Las eficiencias se espera sean de alrededor del 40% con este tipo de celdas de combustible, las cuales típicamente operan a una temperatura de entre 120-190 grados F ó 50 -100 grados C. Este es un rango de temperaturas relativamente bajo, haciendo a este tipo de celda atractiva para aplicaciones desde muy pequeñas hasta tamaños medios, por ejemplo energizar teléfonos celulares y laptops. Mayores eficiencias pueden obtenerse a mayores temperaturas. Sin embargo, un problema serio, es el permeado del combustible desde el ánodo hacia el cátodo sin generar electricidad. No obstante, muchas compañías han dicho haber resuelto este problema. Estas se encuentran trabajando con prototipos de DMFC utilizados para energizar equipo militar electrónico en campo.

Ánodo: CH₃OH(ac) + H₂O(l) -> CO₂(g) + 6H⁺(ac) + 6e-

Cátodo: 6H⁺(ac) + 6e- + 3/2O₂(g) -> 3H₂O(l)

Celda: CH₃OH(ac) + 3/2O₂(g) -> CO₂(g) + 2H₂O(l)

Celdas de Combustible Regenerativas. Aún un miembro muy joven de la familia de celdas de combustible, las celdas regenerativas serían muy atractivas como un tipo de generación de potencia de ciclo cerrado. El agua es separada en hidrógeno y oxígeno mediante un electrolizador solar. El hidrógeno y el oxígeno alimentados en la celda de combustible generan electricidad, calor y agua. El agua es entonces recirculada de regreso hacia el electrolizador alimentado con energía solar y el proceso comienza de nuevo. Estos tipos de celda de combustible están siendo investigados por la NASA y otros a nivel mundial.

Celdas de Combustible de Cinc-Aire (ZAFC). En una celda de combustible cinc-aire típica, hay un electrodo de difusión de gas (GDE), un ánodo de cinc separado por un electrolito y separadores de un tipo de forma mecánica. El electrodo GDE es una membrana permeable que permite el paso del oxígeno atmosférico. Después de que el oxígeno ha sido convertido a iones hidroxilo y agua, los iones hidroxilo viajarán a través de la membrana y alcanzarán el ánodo de cinc. Aquí, el ión reacciona con el cinc formando óxido de cinc. Este proceso genera un potencial eléctrico; cuando un grupo de celdas ZAFC son conectadas, el potencial eléctrico combinado de las mismas puede ser usado como fuente de poder eléctrica. Este proceso electroquímico es muy similar al de una celda tipo PEM, pero el reabastecimiento de combustible y comparte ciertas características con las baterías. Metallic Power esta trabajando con celdas ZAFCs que contienen un "tanque de combustible" con cinc y un refrigerador de cinc automática y silenciosamente regenera el combustible. En este sistema de ciclo cerrado, se genera electricidad, cinc y oxígeno son mezclados en presencia de un electrolito (como una PEMFC), generando óxido de cinc. Una vez que el combustible se ha gastado, el sistema es conectado a la red y el proceso es revertido, dejando una vez más pelets de combustible de cinc puro. La clave está en que el proceso de reversión solamente toma unos 5 minutos para completarse, así el tiempo de recarga de baterías no es un problema en este sistema. La ventaja mayor que la tecnología de cinc-aire tiene sobre otras baterías es su al energía específica, la cual es un factor clave que determina el tiempo de duración de una batería con respecto a su peso. Cuando las celdas ZAFCs son usadas para energizar vehículos eléctricos (EVs), han probado grandes distancias de manejo entre cada reabastecimiento de combustible, mayores que baterías para EV de similar peso. Más aún, debido a la abundancia de cinc sobre la tierra, los costos del material para las celdas ZAFCs y las baterías cinc-aire son bajos. De allí, que la tecnología cinc-aire tenga un potencial amplio de aplicaciones, desde EVs, equipo electrónico hasta militar. Powerzinc en el sur de California actualmente comercializa su tecnología cinc/aire para un número de diferentes aplicaciones.

Celdas de Combustible de Cerámico Protónico (PCFC). Este nuevo tipo de celda de combustible esta basado en un material de electrolito de cerámico protónico que presenta una alta conductividad protónica a elevadas temperaturas. Las celdas PCFCs comparten las ventajas térmicas y cinéticas de la operación a alta temperatura de 700 grados Celsius con las celdas de carbonatos fundidos y de óxido sólido, al mismo tiempo que muestra los beneficios intrínsecos de la conducción protónica en electrolitos de celdas poliméricas y de ácido fosfórico (PAFCs). La alta temperatura de operación es necesaria para alcanzar la alta eficiencia eléctrica del combustible con combustibles a base de hidrocarburos. Las celdas PCFCs pueden operar a altas temperaturas y oxidan electroquímicamente combustibles fósiles directamente en el ánodo. Esto elimina el paso intermedio de producción de hidrógeno mediante costos reformadores. Las moléculas gaseosas del combustible de hidrocarburo son absorbidas sobre la superficie del ánodo en presencia de vapor de agua, y átomos de hidrógeno y los átomos de hidrógeno son eficientemente arrancados para ser absorbidos hacia el electrolito, produciendo como producto principal de reacción dióxido de carbono. Adicionalmente, las celdas PCFCs tienen un electrolito sólido que no se “seca” como en las celdas PEM, ni puede fugarse líquido como con las celdas PAFCs.

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